水射流技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用及前景展望

【摘要】水射流技術(shù)是近些年逐漸發(fā)展成型的一項(xiàng)新技術(shù)，由于其效率高、成本價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，得到了各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，尤為常見(jiàn)的就是在我國(guó)石油工程中的應(yīng)用，能夠?qū)κ凸艿肋M(jìn)行快速?gòu)氐椎那鍧嵦幚?，?duì)金屬板材料進(jìn)行切割等，受到了我國(guó)石油行業(yè)的高度重視。然而，我國(guó)目前水射流技術(shù)中仍舊存在很多的問(wèn)題的不足，嚴(yán)重影響了我國(guó)石油工程開(kāi)采的質(zhì)量，制約了我國(guó)石油行業(yè)的生存和發(fā)展。因此，本文針對(duì)水射流技術(shù)在石油工程中的應(yīng)用進(jìn)行討論研究，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展前景做出論述，提出有效的改善措施。

【關(guān)鍵詞】水射流技術(shù)；石油工程；應(yīng)用；前景展望

目前，水射流技術(shù)已經(jīng)取得了進(jìn)一步的發(fā)展與進(jìn)步，在石油工程開(kāi)采過(guò)程中的作用越來(lái)越明顯，逐漸受到了石油行業(yè)的高度重視，使得水射流技術(shù)得到了快速的發(fā)展。但是，就目前我國(guó)水射流技術(shù)水平而言，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，再加之水射流設(shè)備的滯后，常常導(dǎo)致石油工程開(kāi)采工作無(wú)法順利開(kāi)展，這也是影響我國(guó)水射流技術(shù)進(jìn)一步提升的主要原因之一。那么，本文就針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)水射流技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，結(jié)合目前我國(guó)水射流技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作出闡釋，得出以下相關(guān)結(jié)論。

1.提高鉆井射流在井底工作效率

20世紀(jì)初，隨著噴射鉆井的出現(xiàn)，不僅大大提高了石油工程的鉆井效率，還能夠確保鉆井的質(zhì)量，減少了不必要的人力投入，節(jié)省了一定的石油工程建設(shè)成本。通過(guò)多年的實(shí)踐工作，相關(guān)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，噴神鉆井在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果將高射流逐漸調(diào)高的話，就會(huì)加快鉆井的速度，而這一施工過(guò)程一般需要借助泥漿泵所實(shí)現(xiàn)的。但是，這勢(shì)必會(huì)對(duì)泥漿泵體積造成一定的影響，使得柴油機(jī)功率過(guò)大，運(yùn)輸起來(lái)十分不便，增加了石油工程設(shè)備費(fèi)用而對(duì)支出，還從一定程度上加大了燃料的浪費(fèi)。因此，這一問(wèn)題已經(jīng)成為鉆井行業(yè)共同關(guān)注的看問(wèn)題。由于鉆井射流是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作，受到很多條件因素的限制，我國(guó)對(duì)于鉆井射流并不全面，尚未形成相對(duì)完善的水射流技術(shù)體系。

1.1噴射鉆井水力參數(shù)設(shè)計(jì)新方法

由公式進(jìn)一步可以推導(dǎo)出鉆井射流到達(dá)井底巖面各水力參數(shù)的計(jì)算模型。傳統(tǒng)的噴射鉆井水力設(shè)計(jì)理論和方法，是由噴射鉆井奠基人H.A Kendall和W C Goins在1960年按鉆頭噴嘴出口處獲最大功率、最大沖擊力或最大噴速而建立的。

1.2研制新型加長(zhǎng)噴嘴牙輪鉆頭

通過(guò)上文描述，可以得知，如果把噴射距離縮小至射流所能承受的范圍內(nèi)，就可以使井下的動(dòng)壓力和誰(shuí)功率得到很大的提高。下面，我們就以實(shí)際的牙輪鉆頭噴嘴為例，當(dāng)其與井底保持在一定的距離時(shí)，如果我們將這兩者之間的距離縮短至允許的范圍內(nèi)，這時(shí)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)井底的動(dòng)壓力和誰(shuí)功率就會(huì)迅速提高。因此，相關(guān)技術(shù)人員要對(duì)牙輪鉆頭噴嘴進(jìn)行不斷的研發(fā)和分析，研制出更多新型的牙輪鉆頭噴嘴，這樣才能加快鉆井速度，逐步提高石油工程開(kāi)采效率，為我國(guó)石油企業(yè)帶來(lái)更多可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.自振新型射流理論及應(yīng)用

20世紀(jì)后期，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，越來(lái)越多先進(jìn)的水射流技術(shù)被應(yīng)用于石油工程中，而自己振動(dòng)射流作為當(dāng)時(shí)常見(jiàn)的新型水射流技術(shù)，受到了石油行業(yè)的高度青睞，這種水射流技術(shù)主要的工作原理是通過(guò)流體自己振動(dòng)的本事，將一些連續(xù)射流轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)性射流，形成一個(gè)渦環(huán)流，由于這種渦環(huán)流的壓力較低，常常會(huì)出現(xiàn)空化的現(xiàn)象，而其最大的特點(diǎn)就是能夠?qū)Ψ鬯榈膸r石表面進(jìn)行快速的清理，是一種非常實(shí)用的水射流技術(shù)。

2.1諧振腔基本關(guān)系式和結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)瞬態(tài)流理論和水聲學(xué)原理，當(dāng)流體通過(guò)各種類型的諧振腔出口收縮斷面時(shí)產(chǎn)生壓力激動(dòng)，這種壓力激動(dòng)反射回入口處與來(lái)流的壓力脈動(dòng)疊加形成駐波，當(dāng)激振頻率與射流本身的固有頻率匹配時(shí)產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生空化。

2.2自激振動(dòng)射流在石油鉆井和采油中的應(yīng)用

應(yīng)用上述理論調(diào)制的自激振動(dòng)射流用于鉆井和采油生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)出若干有實(shí)用價(jià)值的新技術(shù)，獲得了顯著經(jīng)濟(jì)效益。如：a.將自振射流用于鉆井，研制出自激振動(dòng)射流鉆頭，平均機(jī)械鉆速提高35%。b.將自振射流用于處理油井近井地層及解堵，首創(chuàng)自振旋轉(zhuǎn)射流處理近井地層及解堵新技術(shù)。由于射流作用于近井地層，同時(shí)對(duì)其產(chǎn)生低頻水力沖擊、高頻水力振蕩和超聲波3種物理效應(yīng)，故能有效地解堵和處理地層。這項(xiàng)技術(shù)自1995年起先后在遼河、勝利、大慶等11個(gè)油田和地區(qū)的500多口井上應(yīng)用，平均油井單井增油20%～30%，注水井單井增注30%～130%。c.把自振射流用于油田注水，創(chuàng)制了自激波動(dòng)注水新技術(shù)，它從源頭上預(yù)防在注水過(guò)程中形成的近井地帶堵塞，實(shí)現(xiàn)了邊注水邊解堵，達(dá)到了降低注水壓力、延長(zhǎng)修井周期和降低作業(yè)費(fèi)用的目的。

3.射流結(jié)合機(jī)械破巖技術(shù)

如果想要將射流射向井底巖石底部時(shí)，就要盡量與機(jī)械齒之間保持緊密相連的關(guān)系，這時(shí)，采用機(jī)械破巖技術(shù)時(shí)，巖石表面將會(huì)出現(xiàn)裂紋，而射流將會(huì)隨著這些列分進(jìn)入到巖石內(nèi)部，逐漸擴(kuò)大裂紋面積，使得巖石快速破裂，再加上巖石本身的拉應(yīng)力不強(qiáng)，這就大大降低了射流的壓力。

4.前景展望

（1）開(kāi)展高壓和超高壓射流動(dòng)力學(xué)及輔助機(jī)械破巖機(jī)理研究，為今后研究高壓和超高壓射流輔助機(jī)械破巖新鉆井方法提供理論基礎(chǔ)。這種新鉆井方法是近10年國(guó)際鉆井界努力追求的目標(biāo)，是鉆井工程研究的前沿重大課題，它可以從根本上解決深井和超深井的鉆井速度。

（2）開(kāi)展高溫高壓條件下空化射流“空泡”的起始、成長(zhǎng)和破滅機(jī)理研究。根據(jù)理論計(jì)算，空化射流“空泡”爆破時(shí)的瞬時(shí)壓力約為連續(xù)射流滯止壓力的8～124倍。將這樣高的瞬時(shí)壓力用于井底破碎巖石、處理油層、開(kāi)拓新的油流通道和裂縫，將會(huì)開(kāi)發(fā)出若干提高鉆井速度、增加原油產(chǎn)量和注水量的新技術(shù)。

（3）推廣應(yīng)用高壓水射流鉆徑向水平井技術(shù)和高壓水射流深穿透無(wú)污染射孔技術(shù)，將會(huì)有效地開(kāi)采剩余油和提高原油單井產(chǎn)量，進(jìn)而提高原油采收率。

（4）發(fā)展的高壓水射流破巖理論，不僅可用于石油鉆井和油氣開(kāi)采，而且可用于采煤、金屬礦山、地鐵及隧道工程，提高鉆掘速度，具有廣闊應(yīng)用前景。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可以得知，水射流技術(shù)對(duì)于我國(guó)石油工程建設(shè)發(fā)展有著重要的影響，并且，在技術(shù)人員堅(jiān)持不懈的努力下，越來(lái)越多先進(jìn)的水射流技術(shù)出現(xiàn)在現(xiàn)代市場(chǎng)中，水射流設(shè)備也取得了很大的改善，在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)階段，雖然水射流技術(shù)中仍舊存在一定的弊端，但隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，這些問(wèn)題也能夠得到更好的解決，逐漸形成完善的水射流技術(shù)體系，進(jìn)一步提升我國(guó)水射流技術(shù)水平，加快我國(guó)石油井下鉆井的速度與效率，促進(jìn)我國(guó)石油工程持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展。

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